Tảo cát có thể hạn chế hiện tượng nóng lên toàn cầu?

Một số loài tảo cát bé nhỏ đến nỗi 30 cá thể như thế mới xếp vừa độ rộng một sợi tóc của con người; nhưng chúng cũng tồn tại với số lượng cực kì lớn để trở thành những sinh vật mấu chốt trong việc thải loại khí nhà kính cacbonic ra khỏi bầu khí quyển của trái đất.

Vỏ ngoài của tảo cát rất cứng nên khi chết chúng thường chìm xuống đáy đại dương mang theo cả cacbon từ mặt nước rồi giữ chặt chúng trong những lớp lắng cặn tại bãi tha ma đáy nước.

Các nhà khoa học đã công bố những khám phá của họ khi nghiên cứu các tập hợp gen và protein điểu khiển chương trình tạo vỏ cho mỗi loài tảo cát. Đối với các nhà hải dương học, nghiên cứu này một ngày nào đó sẽ giúp họ hiểu được cách thức một số vấn đề ví dụ như thay đổi khí hậu toàn cầu có thể gây ảnh hưởng đến hàng ngàn loài tảo cát khác nhau cũng như khả năng loại bỏ khí cacbonic trong bầu khí quyển của chúng. Các nhà khoa học vật chất tham gia vào nghiên cứu rất hứng thú với việc thao tác gen sản xuất ra silic đioxit từ đó nghiên cứu phương pháp chế tạo con chip máy tính hiệu quả hơn.

Thomas Mock – nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ về đại dương học đồng thời là tác giả chính của bài báo cáo nghiên cứu – đã nói: Hầu hết các loài tảo cát đều quá nhỏ và không thể nhìn thấy được nếu không qua phóng đại; nhưng chúng lại giữ một vai trò quan trọng đáng kinh ngạc trong chu trình cacbon toàn cầu. Trong quá trình quang hợp, tảo cát biến khí cacbonic thành cacbon hữu cơ đồng thời giải phóng khí oxi. Mỗi năm chúng đóng góp tới 40% cacbon hữu cơ được sản xuất trong các đại dương trên toàn thế giới.

Thalassiosira pseudonana – Loại tảo có vỏ bằng silic đioxit rất cứng trông giống một chiếc hộp nhiều lỗ; có kích cỡ 3-4 micromet và là một trong những loại tảo cát tí hon nhất. (Ảnh: Đại học Washington)

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng bản đồ gen của tảo cát Thalassiosira pseudonana xuất bản năm 2004 được tìm ra bởi nhóm nghiên cứu do giáo sư chuyên ngành đại dương học Virginia Armbrust chỉ đạo – bà đồng thời viết cho tờ báo PNAS. Tảo cát Thalassiosira pseudonana được bao bọc trong lớp vỏ hình hộp có thành tế bào rất cứng tạo thành chủ yếu từ silic đioxit và được tô điểm bởi những chấm tròn tinh tế đặc trưng giúp các nhà khoa học phân biệt nó với các loại tảo khác.

Có sẵn bản đồ gen trong tay, các nhà nghiên cứu đã biến đổi môi trường nuôi cấy trong phòng thí nghiệm của tảo Thalassiosira pseudonana; ví dụ như hạn chế lượng silic hoặc thay đổi nhiệt độ môi trường. Sau đó họ sử dụng một thứ được gọi là “đoạn gen sao chép” để xác định đoạn gen nào sẽ được kích thích hoạt động.

Hãy thử nghĩ đến một cái cây được đặt trên bậu cửa sổ với nhiều ánh sáng mặt trời hơn trước. Những điều kiện sống mới sẽ “bật” hoặc “tắt” các gen trong cây đó để thích nghi với cường độ ánh sáng tăng ở mức độ tốt nhất.

Kể từ cuối những năm 1990, các nhà khoa học chỉ tìm được một số gen có ảnh hưởng đến quá trình tạo thành vỏ của tảo cát. Nghiên cứu về tảo Thalassiosira pseudonana này đã phát hiện những tập hợp gen lớn mà trước đây chưa được biết đến. Ví dụ một tập hợp gồm 75 gen đã được kích thích hoạt động khi lượng silic bị hạn chế.

Các nhà khoa học cũng rất bất ngờ khi phát hiện ra một nhóm gen khác gồm 84 gen cũng được kích hoạt khi cả silic và sắt bị hạn chế; điều này cho thấy có một mối liên hệ giữa hai con đường. Dưới điều kiện tỉ lệ sắt thấp, tảo cát lớn chậm hơn; các gen tham gia vào quá trình tạo vỏ silic đioxit được kích thích hoạt động. Các cá thể tảo cát cũng có xu hướng tập trung lại với nhau dưới những điều kiện này khiến chúng nặng hơn và dễ chìm hơn. Thành tế bào dày hay mỏng còn tuỳ thuộc vào lượng sắt có trong môi trường biển, nhưng theo ông Mock, “không ai có được đầu mối về cơ chế phân tử của điều này”.

Khi có đến 30% diện tích các đại dương trên toàn thế giới nằm trong tình trạng thiếu sắt nghiêm trọng, một số nhà khoa học đã đề nghị bổ sung sắt vào những nơi này để tảo cát có thể phát triển, gia tăng số lượng và hấp thụ nhiều khí cacbonic từ bầu khí quyển hơn. Từ đó có thể kìm hãm sự nóng lên toàn cầu. Tuy nhiên, nếu bổ sung sắt để giúp tảo cát tăng độ dày của vỏ thì chúng sẽ khó chìm được trong khi vẫn lơ lửng ở tầng nước phía trên, nơi lượng cacbon chúng lưu trữ có thể được giải phóng trở lại bầu khí quyển khi tảo cát bị ăn hoặc bị phân huỷ.

Mock nói: “Sắt có thể làm tăng số lượng tảo cát nhưng nghiên cứu của chúng tôi lại đưa ra một mối quan tâm về tính hiệu quả của biện pháp bổ sung sắt này”.

Cùng với việc giúp các nhà khoa học tìm được căn nguyên của sự thay đổi khí hậu cũng như khả năng hấp thụ khí cacbonic, tảo cát còn có cách thức tận dụng silic vô cùng đặc biệt mà các kỹ sư chỉ có thể dám mơ.

Giáo sư Michael Sussman thuộc đại học Wisconsin, đồng tác giả của nghiên cứu, nói rằng những phát hiện mới sẽ giúp nhóm của ông tiến hành thao tác những gen điều hành quá trình sản xuất silic và khai thác những gen đó trong việc sản xuất mạch trên con chip máy tính. Kỹ thuật này có thể tăng tốc của bộ vi xử lý vì tảo cát có khả năng tạo ra các mạch còn nhỏ hơn công nghệ hiện có.

Nghiên cứu được đăng tải trực tuyến trên tờ The Proceedings of the National Academy of Sciences. Đồng tác giả của nghiên cứu còn có Vaughn Iverson, Chris Berthiaume, Karie Holtermann và Colleen Durkin (Đại học Washington); Manoj Pratim Samanta (Viện Systemix); Matthew Robinson, Sandra Splinter BonDurant, Kathryn Richmond, Matthew Rodesch, Toivo Kallas, Edward Huttlin và Franceso Cerrina (Đại học Wisconsin).

Nghiên cứu được các tổ chức Gordon and Betty Moore Foundation, National Science Foundation, German Academic Exchange Service, National Institutes of Health Genomic Sciences Training Center và Đại học Wisconsin tài trợ.